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重新思考化学以实现循环经济

2020-03-20 10:12:09来源:废塑料新观察 阅读量:8371

  【塑料机械网 编辑视角】地球正在耗尽制造材料所需的资源,比如化学品、矿物和石油。因此,这些只能以增加经济和环境成本来获得。作为对可持续未来的重要贡献,化学及其产品需要适应循环经济(CE),该系统旨在消除浪费,循环和回收产品,节约资源和环境。
 
  全球销售了近14万种工业化学品,新化学品也变得越来越复杂(例如,立体化学,官能团)。化学和相关工业的产品包含元素和分子的混合物,这些产品及其成分随处可见,包括废品,土壤,水,空气,植物,食品,动物和人体。
 
  ● 塑造循环经济 ●
 
  在循环经济中,应尽可能长时间地使用产品,直到不能使用。现代的循环思维包括产品的寿命适应性、可重复使用性、易修理性和可回收性的设计——所有这些都是由可再生资源制成的。在中国(4个),美国(5个),欧盟(1个)和其他国家中,循环经济方法的开发和实施得到了世界卫生组织(WHO)和联合国(UN)等国际组织的支持。这些努力将有助于应对地球的资源和废物挑战,并为可持续发展做出贡献。然而,更大的成功将来自于产品设计层面的变化,由那些努力在原子和分子层面上破解化学产品及其基础合成化学如何适合循环经济的科学家们领导。这包括确定合适的原材料并将其修改为应用程序所需的等级,结构和功能。随着今天的化学、材料和产品流动的多样化和相互联系,制造商要了解什么可以,什么应该循环利用什么可以和不应该。
 
  ● 循环和回收的限制 ●
 
  科学家预计,用于工业化学以及用于减少CO排放或增加数字化和(电动)移动性或增强通信的产品和工艺的金属需求将大大增加。可持续的未来取决于从原始矿石或回收中获取的高级金属,包括普通(例如铝和铜)和特种(贵金属,稀土)金属的可用性。
 
  例如,铜对于许多产品都是必不可少的,例如接线,风力涡轮机,电动机,信息技术,发电机,传感器和电子设备。自20世纪初以来,铜产量增长了3000%以上,预计到2021年将有60万吨的市场缺口。新的铜矿经常达不到期望的质量;因此,升级需要更多的能源和资源。从深部矿山开采矿石会产生巨大的环境足迹,因为此过程会产生更多废物,动员更多有毒元素(例如砷),并且更有可能需要进入土著人民的受保护土地,从而冒着社会动荡的危险。
 
  考虑到矿石的开采,研磨和提取的能源密集型过程,金属回收可能是有利的。但是,许多材料需要特定等级的金属和其他元素的混合物,并且每种材料都需要在回收过程中在原子和分子水平上进行分离和纯化。有些成分无法分离,并且由于耗散而无法再使用。
 
  到2012年,人类开采了约5.6亿吨铜(仅2010年就开采了1900万吨),其中约有一半仍在使用。但是另一半在哪里,研究人员可以从这种损失中学到什么呢?低回收率会导致一些不可挽回的损失。当回收的材料只能与原始金属混合才能达到期望的质量(即高等级的钢或铝)时,还会产生其他损失。一些诸如金属和聚合物等人造环境(“建筑世界”)中使用的产品使用寿命长。随着社会对产品需求的增加,制造商将需要更多的原始资源,因为在可预见的将来,CE不能完全满足需求。科学家已经开始利用大量累积的废物,包括富含金属的废物(例如,来自电子和钢铁的废物)。但是,伴随这些废物而来的还有其他不必要的废物和对能源的额外需求。
 
  与金属不同,可以合成有机化合物。但是,它们的循环利用可能需要添加化学药品,并且能源消耗大且昂贵。例如,塑料通常由一种或多种(共)聚合物以及几种添加剂(例如增塑剂阻燃剂,着色剂,紫外线稳定剂和抗氧化剂)组成,这些添加剂通常很危险并且很难在回收中分离。即使从塑料水瓶中回收纯净材料(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯),过程中也会损失超过5%。通常,回收仅在原子或分子水平上是可能的(例如,塑料解聚或从电子材料中提取金属和其他元素),这导致产品的宏观形式,分子结构和所需性能丧失。在某些情况下,回收是不可能的。CE中则应避免使用此类材料和产品。
 
  将可再生生物资源用于有机分子历史悠久,并且在工业化学中得到越来越多的实践。例如,农业工业或林业废物产品很复杂,很难分离。因此,挑战在于将废物转化为具有确定属性和复杂程度的特定产品。使用过程中产品中不想要的化学物质的积聚,自然老化,循环利用过程本身以及材料和产品的连接流,还会带来其他复杂性。例如,机械回收(重塑)会导致污染和较低质量的回收物,从而防止在同一应用中重复使用。
 
  实际上,回收不可避免地导致材料的降级以及可利用元素和能量的耗散性损失。当今产品及其组件(在原子,分子,材料和构件水平)扩大了金属和其他元素,污染物和能量的耗散。
 
  在观察到的热和材料熵的增加中,这些损失显而易见。尽管地球可以通过排放到太空将热熵输出到一定程度,但它无法摆脱由于材料混合和稀释(包括降低其中元素的浓度)而产生的材料熵。这些不可克服的局限性(根据热力学定律)须得被考虑并考虑到化学方面,包括冶金学,材料科学以及CE所必需的产品。
 
  具有开放环境应用的产品(例如农药,化妆品,杀生物剂和药品)既不能循环使用也不能回收利用,因为应用时浓度低且分散度高,因此无法回收。对于液体废物和废水,即使进行深度处理也不能很好地去除产品成分。此外,全世界几乎有80%的废水根本没有得到处理。此外,环境废物和污染物通常是新的,有时甚至更具毒性的分子的来源。因此,科学家定要为此类应用设计新的分子和材料,以允许快速而完整的环境矿化,同时保持其所需的功能。
 
  ● 简化复杂性 ●
 
  循环经济的核心是一系列化学基石,必须将其引入教育,立法和行业。当今的大多数化学产品都是基于不可再生资源合成的,并被制成复杂的物品,例如塑料。从这些分子中回收分子价值将需要在资金和能源上进行大量投资。未来的产品必须限制其构成资源的复杂程度,并且不得在回收中改变它们。
 
  对于原始材料和回收材料,都需要使终端产品的化学结构及其结构单元(形式,组成,立体化学和官能团)与起始材料尽可能相似。这将有助于后续的回收利用,并减少下游化学过程和单元操作的数量,因为这些过程会导致废物产生,熵增加以及包括能源在内的资源消耗。如果需要更改材料和分子的形式和组成,则制造商应致力于进一步降低复杂性。终端产品的组成应尽可能简单,尽量减少添加剂,避免有毒成分和难以分离的元素难以回收。
 
  ●将化学纳入循环经济 ●
 
  ● 将分子的复杂性降低到所需性能(包括寿命终止)所需限度的低值(复杂的分子需要更多的合成步骤,可能具有其他不良特性,并且可能更难以回收)。
 
  ● 设计可回收利用的产品,包括产品的所有添加剂和其他成分。
 
  ● 减少和简化物质,材料和产品流的多样性和动态;例如,总体上使用更少的化学品(数量和数量),设计以减少资源强度,并使产品的创新速度适应回收的适应速度。
 
  ● 避免使用复杂的产品(例如,多个组件,材料)。
 
  ● 尽量减少难以分离和回收的产品成分(例如,溶剂,金属)的使用。
 
  ● 设计的产品不适合收集和回收,以在其使用寿命结束时完全快速矿化(例如,药品,农药,个人护理和清洁产品)。
 
  ● 通过减少使用量以及有效的回收和再循环(例如,许多金属)来防止原材料变得至关重要。
 
  ● 避免熵损失和转移(例如,金属,能量的耗散)。
 
  ● 避免反弹效应(例如,使用更少的碳通常意味着对金属的更高需求)。
 
  ● 在产品的整个生命周期(包括回收)中负责/开发产品所有权。
 
  ● 确保可追溯性并考虑使用产品数字护照(例如,产品,组件和过程的组成)。
 
  ● 开发和应用循环指标(例如,归功于副产品的使用)。
 
  ● 将基于“更大更快”的传统化学实践转变为“最l佳适应,更好安全”,并将所有权更改为出租,租赁和共享业务模型。
 
  ● 使用少的步骤,辅助剂,能源和单元操作(例如,分离,纯化),使过程尽可能简单。
 
  ● 设计过程以优化辅料,未使用的基材和意外副产品的材料回收率(基于质量和数量)。
 
  为了避免混合不同的成分和增加不必要的复杂性,产品及其成分的流程须在其生命周期的各个阶段(从资源提取,合成到使用和回收)尽可能保持分开。如果流量变化很大,则会阻碍回收。同样,本地流程比全局流程更可取,并且更全面地了解材料和产品的成分将有助于快速回收。当然,有必要找到废物流并解密如何收集废物,否则可能会永远丢失。
 
  如果产品方面的创新速度高于回收方面的创新速度,那么问题将超过解决方案。社会需要对尖端的回收技术进行更大的投资。工业界和学术界需要对这些进步给予与新分子,新材料和新产品设计相同的认可。使公司对产品的回收负责,对产品的性能负责,应促使行业参与回收技术的研发(R&D)和循环经济的产品设计。一些回收产品吸引的高价值以及原始资源成本的增加,应将回收和产品设计研究从负担转变为商机。
 
  废物及化学行业的整合,包括产生大量化学或金属废物(例如农业食品,纺织品,电子产品,塑料,金属和合金)的行业,可以使人们更好地了解化学及其产品并将源与接收器链接。仅要求“绿色” 循环经济而不考虑化学的系统作用,不会对可持续性有太大贡献。只有通过对化学教育,化学研究和工程以及产品设计的新态度,循环经济所需要的化学物质将会实现。
 
  本文作者:By Klaus Kümmerer1,2, James H. Clark3, Vânia G. Zuin3,4
 

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